第 5 章 埋め込み構造による伸縮性プラズモニックカラーシート
5.4 製作結果
5.4.4 動的色変調の透過特性
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図 5.4.7. 透 過 ス ペ ク ト ル よ り 算 出 し た xy 色 度 図(CIE1931)．
125
350，300W，朝 日 ス ペ ク ト ラ 株 式 会 社)よ り 光 を 入 射 し た ．透 過 光 の 顕 微 鏡 画 像 と ス ペ ク ト ル は ， そ れ ぞ れ 電 荷 結 合 素 子(CCD)カ メ ラ(DP22， オ リ ン パ ス) と 分 光 器(USB4000，Ocean Insights Ltd.)で 取 得 し た ． ま た ， 低 開 口 数 の 対 物 レ ン ズ(SLMPN，20x，NA：0.25，Olympus Corp.)を 使 用 し ， コ ン デ ン サ レ ン ズ を 最 小 NA = 0.05 に 縮 小 し て 光 が シ ー ト に 垂 直 に 入 射 す る よ う に し た ． 測 定 ス ポ ッ ト サ イ ズ は ，40 µm の 正 方 形 の 画 素 領 域 に 対 し て 直 径 20 µm で 測 定 し た ．ナ ノ シ ー ト の 伸 縮 に よ る 動 的 色 変 調 特 性 は ，上 記 の 光 学 測 定 シ ス テ ム に 二 対 の 電 動 1 軸 移 動 ス テ ー ジ(MTS25/M-Z8E，Thorlabs Inc.)を 組 み 込 む こ と で 測 定 し た ．
図 5.4.8. 動 的 色 変 調 の 測 定 系 ．
図 5.4.9 に 示 す よ う に ，40 µm 四 方 の Al サ ブ 波 長 格 子 で 形 成 さ れ る 画 素 を 有 す る ナ ノ シ ー ト を ，PDMS 支 持 基 板 に 設 け た 直 径 1 mm の 貫 通 孔 上 に 転 写 す る こ と で 自 立 膜 状 の サ ン プ ル を 作 製 し た ． こ の PDMS 支 持 基 板 は 二 対 の 可 動 ス テ ー ジ に 渡 し て テ ー プ で 固 定 し た ．可 動 ス テ ー ジ は マ イ ク ロ オ ー ダ ー
CCD optical fiber
Φ400 µm
spectrometer USB4000
BX51WI (OLYMPUS)
object lens x20, NA: 0.25
xenon light polarizer
spot size: 20 µm
motorized stage
sample
126
で 制 御 可 能 で あ り ， 画 素 は PDMS 支 持 基 板 の 弾 性 変 形 に 伴 っ て 伸 縮 さ せ る こ と が で き た ．こ こ で ，SBS ナ ノ シ ー ト よ り も 小 さ い 弾 性 変 形 領 域 を 有 す る バ ル ク PDMS 基 板 は ， 伸 長 さ せ る と プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー シ ー ト よ り 先 に 破 断 し て し ま う ．ま た ，1 mm の 伸 縮 領 域 に 対 し て 画 素 領 域 が 40 µm の た め ， 画 素 に 数 十%の ひ ず み を 印 加 す る た め に 要 す る PDMS の 変 形 量 が 大 き く ，や は り PDMS を 破 断 さ せ ず に 必 要 な ひ ず み 量 を 印 加 す る こ と が 困 難 で あ る ． そ の た め 今 回 の 実 験 で は ， 初 期 状 態 の 格 子 周 期 600 nm を 製 作 し て 面 方 向 収 縮 ひ ず み を シ ー ト に 印 加 す る こ と と し た ．
図 5.4.9. 動 的 色 変 調 測 定 の た め の サ ン プ ル 構 造.
図5.4.10 は 動 的 色 変 調 特 性 を 測 定 し た と き に 観 察 さ れ た(a) 透 過 顕 微 鏡 画 像 と(b) 透 過 ス ペ ク ト ル シ フ ト で あ る ．図 5.4.10 (a)の 初 期 状 態 に お い て 観 察 さ れ る わ ず か な 色 の 不 均 一 性 は ， プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー シ ー ト/PDMS 基 板
SBS nanosheet
A’ A”
A’ A”
40 µm
1 mm
PDMS tape side view
Al metasurface top view
40 µm
strain
sample photograph
127
を マ ク ロ 測 定 系 に 固 定 し た と き に 生 じ た 予 期 し な い ひ ず み が 原 因 と な り ，部 分 的 に 構 造 周 期 が 変 化 し た も の と 考 え ら れ る ． ま た ， 自 立 シ ー ト 領 域 が 1.5 cm 四 方 と 広 す ぎ る た め ，40 µm 四 方 画 素 の 堅 牢 性 を 低 下 さ せ た こ と も 原 因 で あ る ．こ れ ら は ，マ ク ロ 系 を 用 い た 測 定 の 課 題 で あ る ．色 の 不 均 一 性 は 自 立 領 域 を 約 100 µm 四 方 程 度 に 縮 小 す る こ と で 改 善 で き る と 考 え ら れ る ． 動 的 色 変 調 に よ る 透 過 色 は ，600 nm の 初 期 周 期 を 持 つ 画 素 が 収 縮 し た と き に 無 ひ ず み 状 態 の 赤 色 か ら 緑 色 ， 青 紫 色 に 変 化 し た ． 図 5.4.10 (b)の 透 過 ス ペ ク ト ル で み る と ，660 nm の 初 期 透 過 ピ ー ク は そ れ ぞ れ 12.1%お よ び 32.4%の 圧 縮 ひ ず み を 印 加 す る こ と に よ り ，550 nm お よ び 495 nm に ブ ル ー シ フ ト し て い る ． し か し な が ら ， ひ ず み 32.4%の ピ ー ク 波 長 が 青 色 を 示 す 490 nm に も か か わ ら ず ， 図 5.4.4 の マ ル チ ピ ク セ ル で 観 察 さ れ た よ う な 青 色 で は な く 青 紫 色 で あ る ．こ れ は ，図 5.4.10 (b)に 示 す 32.4%の ひ ず み 印 加 時 に ，495 nm の メ イ ン ピ ー ク に 加 え て 640 nm 付 近 に サ ブ ピ ー ク が 生 じ た 結 果 ， 青 色 と 赤 色 が 混 色 し た と 考 え ら れ る ．原 因 と し て は ，ナ ノ シ ー ト の 圧 縮 に よ り 波 状 の し わ(リ ッ プ ル)が 生 じ ，初 期 状 態 の 周 期 部 分 と 集 中 的 な 圧 縮 ひ ず み を 受 け た 周 期 部 分 と が 混 在 し た た め と 推 察 さ れ る ．ま た ピ ー ク 透 過 率 は ，印 加 ひ ず み 0%，12.1%，32.4%で そ れ ぞ れ 45.1%，32.9%，25.4%と 徐 々 に 減 少 し た ．こ れ は 格 子 周 期 の 縮 小 に 伴 い 格 子 間 ギ ャ ッ プ が 減 少 す る た め と 考 え ら れ ， 図 5.4.4 の マ ル チ ピ ク セ ル の 実 測 透 過 ス ペ ク ト ル で も 同 様 の 傾 向 が み ら れ て い る ．一 方 ，初 期 状 態 に お い て 動 的 色 変 調 の 透 過 率 が マ ル チ ピ ク セ ル よ り 低 下 し た 原 因 は ， 伸 縮 評 価 の た め 画 素 周 囲 の Al 領 域 を 除 去 し た こ と で ， サ ン プ ル を ス テ ー ジ に 設 置 す る 際 に シ ー ト た わ み ，垂 直 入 射 光 が 散 乱 す る こ と で 対 物 レ ン ズ へ 集 光 さ れ る 光 量 が 減 少 し た た め と 考 え ら れ る ．
128
図 5.4.10. 動 的 色 変 調 に お け る(a) 透 過 顕 微 鏡 画 像 ，お よ び(b) 透 過 ス ペ ク ト ル シ フ ト.
次 に ， 図 5.2.1 お よ び 図 5.4.4 (b)で 示 し た 異 な る 格 子 周 期 を 持 つ マ ル チ ピ ク セ ル と 図 5.4.10 (b)の 動 的 色 変 調 時 の 透 過 ス ペ ク ト ル シ フ ト を ま と め た 結 果 を 図 5.4.11 に 示 す ． マ ル チ ピ ク セ ル の 結 果 は ， 画 素 全 体 の Al ナ ノ 格 子 間 の ギ ャ ッ プ の み が 均 一 に 伸 縮 す る と み な し た 場 合 の 各 格 子 周 期 の 特 性 を 示 し て い る ．す な わ ち ，動 的 色 変 調 と 比 較 す る た め の 理 想 的 な 特 性 を 表 し て い
400 450 500 550 600 650 700
0 10 20 30 40 50
Transm ittance [%]
Wavelength [nm]
ε= 32.4% ε= 12.1% ε= 0%
(a)
(b)
compressed
129
る ．こ れ よ り 図 5.4.10 (b)は ，マ ル チ ピ ク セ ル の 格 子 周 期 600 nm か ら 400 nm に 対 応 す る ピ ー ク シ フ ト が 得 ら れ た こ と を 意 味 す る ．ま た ，印 加 さ れ た 圧 縮 ひ ず み を 関 数 と す る 透 過 ス ペ ク ト ル の ピ ー ク シ フ ト は ，ほ ぼ 線 形 に 応 答 し て い る ．こ れ は ，表 面 プ ラ ズ モ ン の 異 常 透 過 に 関 す る 理 論 式(1.1)と 一 致 し て い る ．し か し な が ら ，動 的 色 変 調 の 660 nm か ら 495 nm へ の 波 長 シ フ ト に 着 目 す る と ， 図 5.4.11 に 示 す よ う に マ ル チ ピ ク セ ル の 理 想 的 な シ フ ト よ り も 27.6%pt 小 さ い 32.4%の ひ ず み と な っ た ．さ ら に ，32.4%ひ ず み を 印 加 し た と き ，640 nm 付 近 に サ ブ ピ ー ク が 観 察 さ れ た ．こ れ ら の 原 因 と し て は ，ナ ノ シ ー ト の 収 縮 に よ っ て 生 成 さ れ た ミ ク ロ ン オ ー ダ ー の リ ッ プ ル に よ り ，不 均 一 な 周 期 が 形 成 さ れ た こ と が 挙 げ ら れ る ．
図 5.4.11. マ ル チ ピ ク セ ル お よ び 動 的 色 変 調 に お け る 収 縮 ひ ず み 印 加 時 の ピ ー ク 波 長 シ フ ト ．Λ は 格 子 周 期.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
400 440 480 520 560 600 640 680
Tu nn in g wav ele ng th [nm]
Real compressive strain [%]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Virtual compressive strain [%]
Λ550nm Λ500nm
Λ450nm
Λ400nm
Λ300nm Λ350nm
Λ600nm
60%
27.6%pt 32.4%
dynamic color tuning
multicolor pixel (simulation)
multicolor pixel (measurement)
495 nm
130
図 5.4.12 に リ ッ プ ル に 起 因 す る 不 均 一 な 周 期 を 持 つ シ ー ト の 断 面 を 示 す ． 原 因 に つ い て 定 量 的 に 考 察 す る た め ，RCWA で 不 均 一 周 期 モ デ ル を 解 析 し ， 実 測 ス ペ ク ト ル と 比 較 す る ． 図 5.4.10 (b)の 32.4%ひ ず み 印 加 時 の ス ペ ク ト ル と マ ル チ ピ ク セ ル の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 よ り ，不 均 一 周 期 モ デ ル は 簡 略 的 に ， 収 縮 し た 領 域 の 周 期 390 nm と 初 期 状 態 の ま ま 変 化 し な か っ た 領 域 の 周 期 600 nm と が 混 在 し た 場 合 を 考 え る ． 以 下 に 仮 定 し た 条 件 を 列 挙 す る ．
⚫ 初 期 状 態 の 格 子 周 期 は 全 て 600 nm
⚫ 格 子 幅 は 250 nm
⚫ 図 5.4.12 の よ う に 格 子 間 ギ ャ ッ プ の み が 収 縮
⚫ 全 格 子 本 数 の う ち ， 何 割 か の 格 子 が 周 期 390 nm ま で 収 縮
⚫ 全 体 で 32%の 収 縮 率
上 記 の 条 件 で 算 出 し た 解 析 モ デ ル は ，32%収 縮 時 に ， 収 縮 周 期 390 nm の 領 域 お よ び 初 期 状 態 の 周 期 600 nm の 領 域 が 8:7の 割 合 で 混 在 す る ．図 5.4.13 に(a)不 均 一 周 期 モ デ ル お よ び(b) 解 析 し た フ ィ ッ テ ィ ン グ ス ペ ク ト ル を 示 す ． フ ィ ッ テ ィ ン グ ス ペ ク ト ル は 32.4%ひ ず み を 印 加 し た 実 測 値 と 同 様 に 490 nmお よ び 650 nm 付 近 に ピ ー ク を 持 ち ，サ イ ド バ ン ド の デ ィ ッ プ 形 状 も 傾 向 が 一 致 し て い る ．透 過 率 は メ イ ン ピ ー ク で 正 規 化 し て い る が ，メ イ ン ピ ー ク と サ ブ ピ ー ク と で 比 率 が 一 致 し た ． 実 際 に は 390 nm，600 nm 以 外 の 周 期 も 存 在 す る と 考 え ら れ る が ，今 回 の モ デ ル で も 十 分 に リ ッ プ ル に よ る 不 均 一 周 期 の 影 響 を 示 唆 す る 結 果 が 得 ら れ た ．こ れ ら の リ ッ プ ル は ナ ノ シ ー ト の 収 縮 に よ る も の と 考 え ら れ ，MEMS ア ク チ ュ エ ー タ に よ り ナ ノ シ ー ト を 伸 長 す る こ と で 回 避 す る こ と が で き る と 思 わ れ る ．
131
図 5.4.12. リ ッ プ ル に 起 因 す る 不 均 一 な 周 期 の 形 成 ．
図 5.4.13. (a) 不 均 一 周 期 に よ る フ ィ ッ テ ィ ン グ モ デ ル お よ び(b) フ ィ ッ テ ィ ン グ ス ペ ク ト ル と の 比 較 ．
ギャップ 収縮したプラズモニックカラーシート
ミクロンスケールのリップル
Al SBS nanosheet
400 450 500 550 600 650 700
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Transmittance [a.u.]
Wavelength [nm]
ε=32.4%
fitting
……
……
Λ390nm 8周期分
初期状態のままの領域 Λ600nm 7周期分 収縮した領域
(a)
(b)
132
図 5.4.10 に 示 す 動 的 色 変 調 の 実 測 し た 透 過 ス ペ ク ト ル シ フ ト と 等 色 関 数 と の 積 分 値 よ り 刺 激 値 を 算 出 し ，xy 色 度 図(CIE 1931)に プ ロ ッ ト し た 色 度 特 性 を 図 5.4.14 に 示 す ．マ ル チ ピ ク セ ル の 場 合 と 同 様 に ，白 色 点 を 中 心 と し て 円 状 に シ フ ト す る 傾 向 を 示 し た ．し か し な が ら ，彩 度 は マ ル チ ピ ク セ ル と 比 較 し て 低 下 し た ．こ れ は ，前 述 の シ ー ト 圧 縮 に よ る リ ッ プ ル で 光 軸 に 対 し て シ ー ト が 傾 斜 す る た め ，入 射 角 の 変 化 に 伴 い 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 に 依 存 す る 回 折 角 が 変 化 し ， 本 来 の 垂 直 入 射 に よ る EOT 波 長 と 異 な る 放 射 が 発 生 し た た め と 推 察 さ れ る ．こ の 光 漏 れ が 集 光 さ れ る こ と で ，メ イ ン ピ ー ク 以 外 の サ イ ド バ ン ド 透 過 率 が 全 体 的 に 増 加 し て 波 長 選 択 性 が 低 下 す る ．色 度 特 性 の 改 善 に 向 け て は ， リ ッ プ ル を 抑 制 す る た め に MEMS ア ク チ ュ エ ー タ と 一 体 化 し て 自 立 シ ー ト 領 域 を 100 µm 程 度 ま で 小 型 化 す る 必 要 が あ る と 考 え ら れ る ．
133
図 5.4.14. 動 的 色 変 調 に よ る ス ペ ク ト ル シ フ ト 時 の 色 度 特 性 ．
図 5.4.15 は ，透 過 ス ペ ク ト ル と 透 過 色 に つ い て ，収 縮 前 と 動 的 色 変 調 の 測 定 で 数 十 回 程 度 収 縮 し た 後 を 比 較 し た 結 果 で あ る ．透 過 ス ペ ク ト ル お よ び 透 過 色 は そ れ ぞ れ で 良 好 な 一 致 を 示 し て い る ．以 上 の こ と は ，製 作 し た プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー シ ー ト の 動 的 色 変 調 が 弾 性 変 形 領 域 で 動 作 し た こ と を 示 唆 し て い る ．
ε=0%
ε=12.1%
ε=32.4%
dynamic color tuning measurement value
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図 5.4.15. 初 期 状 態 と 動 的 色 変 調 後 と の 透 過 ス ペ ク ト ル お よ び 透 過 顕 微 鏡 画 像 の 比 較 ．
エ ラ ス ト マ ー は ，3.3.3 節 で 述 べ た よ う に 弾 性 変 形 に 伴 っ て 膜 厚 が 減 少 す る ．そ の た め ，SBS ナ ノ シ ー ト で 作 製 し た カ ラ ー シ ー ト も 同 様 に 伸 縮 駆 動 さ せ た 際 に 膜 厚 変 化 が 生 じ る こ と が 予 想 さ れ る ．面 方 向 の 引 張 ひ ず み に よ り 収 縮 す る 膜 厚 は 以 下 の 式 で 表 さ れ る ．
𝑡 = 𝑡0− 𝑡 = 𝑡0− 𝜈𝜀𝑡0 = 𝑡0× 1 − 𝜈𝜀 (5.1)
t0，Δt，ν，εは そ れ ぞ れ 初 期 膜 厚 ， 膜 厚 の 変 化 量 ， ポ ア ソ ン 比 ， 面 方 向 の 引 張 ひ ず み 率 で あ る ． 初 期 状 態 の シ ー ト は 膜 厚 t0 = 400 nm， 格 子 周 期 Λ = 300 nm と し ， 格 子 周 期 Λ = 600 nm ま で 伸 長 し た 場 合 を 想 定 し た ． ポ ア ソ ン 比 ν は 図 3.3.10 で 算 出 し た 0.45 を 引 用 し た ． 図 5.4.16 (a)は(5.1)式 で 算 出 し た 膜 厚 で あ る ． 算 出 し た 膜 厚 を 適 用 し て 解 析 し た 透 過 ス ペ ク ト ル を 図 5.4.16 (b) に 示 す ． 実 線 は 膜 厚 が 一 定 の 場 合 で あ り ， 破 線 は SBS ナ ノ シ ー ト の ポ ア ソ
after stretching initial
400 450 500 550 600 650 700
0 10 20 30 40 50
Transm ittance [%]
Wavelength [nm]
135
ン 比 ν に 従 っ て 膜 厚 が 減 少 す る 場 合 で あ る ．こ れ よ り ，ひ ず み が 増 大 し て 格 子 周 期 が 拡 大 さ れ る ほ ど ，膜 厚 が 減 少 し て 透 過 ス ペ ク ト ル の ピ ー ク 波 長 が 短 波 長 側 へ シ フ ト す る こ と が 判 明 し た ． 図 5.4.16 (c)は ピ ー ク 中 心 波 長 の 差 と FWHM の 差 を 示 し て い る ． こ れ よ り ピ ー ク シ フ ト 量 は 最 大 で も 12%程 度 で あ る こ と が 分 か る ．ま た ，ピ ー ク 形 状 に は 顕 著 な 変 化 が 生 じ て い な い ．一 方 で ，FWHM は 膜 厚 収 縮 に よ り 小 さ く な っ て お り 光 学 特 性 が 向 上 し た ．し か し な が ら ， 周 期 600 nm か ら は ピ ー ク 形 状 が 大 き く 変 化 し て い る ． 結 果 的 に 図 5.4.16 (c)よ り ピ ー ク 中 心 波 長 の シ フ ト は 緩 和 さ れ た よ う に 見 え る が ，更 な る 格 子 周 期 の 拡 大 に 伴 い 半 値 幅 が 急 激 に 増 加 す る と 予 想 さ れ ，彩 度 の 低 下 が 懸 念 さ れ る ．以 上 よ り ，動 的 色 変 調 の 性 能 を 維 持 す る こ と が で き る 帯 域 は 膜 厚 収 縮 の 影 響 の た め に 制 限 さ れ る が ， 初 期 膜 厚 を 400 nm よ り 厚 く す る こ と で こ の 帯 域 を 拡 大 可 能 で あ る こ と が 示 唆 さ れ た ．
136
図 5.4.16. 面 方 向 の 引 張 ひ ず み 印 加 時 の(a) 膜 厚 収 縮 ，(a) 透 過 ス ペ ク ト ル ， お よ び(b) ピ ー ク 中 心 波 長 と FWHM の 変 化 ．
4000 450 500 550 600 650 700
20 40 60 80 100
Transmittance [%]
Wavelength [nm]
(b)
(c)
constant decreased film thickness:
格子周期 [nm] 300 350 400 450 500 550 600 膜厚 [nm] 400 370 340 310 280 250 220
(a)
300 350 400 450 500 550 600 0
2 4 6 8 10 12 14
Difference of peak wavelength [%]
Grating period [nm]
-50 -40 -30 -20 -10 0
Difference of FWHM [%]